1.3　中央空调的调节对象——湿空气

1.3.1　湿空气的组成

通常空气中总或多或少地含有一些水蒸气，含有水蒸气的空气称为湿空气；完全不含水蒸气的空气则称为干空气。由于地球表面的水分蒸发，大气中总是含有一些水蒸气的。因此自然界中存在的空气都是干空气与水蒸气的混合物，即湿空气。

存在于湿空气中的干空气，由于其组成成分不发生变化，所以可将其当作一个整体，并可视为理想气体；存在于湿空气中的水蒸气，由于其分压力很低，比体积很大，一般处于过热状态，所以也可视为理想气体。因此，由干空气和水蒸气组成的湿空气，可视为理想混合气体。它仍然遵循理想气体的有关规律，其状态参数之间的关系，也可用理想气体状态方程来描述。

1.3.2　湿空气的状态参数

1.3.2.1　压力

空气的压力就是当地的大气压，用符号p_b表示，国际单位为帕斯卡（Pa）。

正如空气是由干空气和水蒸气两部分组成的一样，根据道尔顿分压定律，空气的压力p_b也是由干空气压力和水蒸气压力两部分组成的，即

p_b=p_g+p_v　　        （1-1）

式中　p_g——干空气的分压力；

p_v——水蒸气的分压力。

在空调系统中，空气的压力是用仪表测量出来的，但仪表显示的压力不是空气的绝对压力值，而是“表压”，即空气的绝对压力与当地大气压力的差值。只有空气的绝对压力才是其基本状态参数，一般情况下，凡未指明的工作压力均应理解为绝对压力。

根据湿空气中水蒸气所处状态（p_v，t）的不同，可以把湿空气分为饱和湿空气和不饱和湿空气。

如果湿空气中所含的水蒸气为干饱和蒸汽，则湿空气为饱和湿空气；如果湿空气中所含的水蒸气为过热蒸汽，则湿空气为不饱和湿空气。一定温度时湿空气中水蒸气的分压力p_v如果等于该温度下水蒸气的饱和压力p_sa，那么此时的水蒸气为饱和蒸汽，湿空气为饱和湿空气；如湿空气中水蒸气的分压力p_v小于同样温度下水蒸气的饱和压力p_sa，则此时的水蒸气为过热蒸汽，湿空气为不饱和湿空气。

在p-V图上可以表示湿空气中水蒸气的状态，如图1-1所示。图1-1中A点表示温度为t的水蒸气，其分压力为p_v，对应于t的饱和水蒸气的分压力为p_sa，由于p_v<p_sa，此时的水蒸气为过热蒸汽，湿空气为不饱和湿空气。

如果湿空气的温度t保持不变，增加水蒸气的含量，则水蒸气的分压力p_v也相应增大，水蒸气状态沿等温线A→B移动到B点而达到饱和状态，此时水蒸气的分压力为p_v=p_sa，水蒸气为饱和水蒸气，相应的湿空气为饱和湿空气。在饱和湿空气中水蒸气的含量达到最大限度，除非湿空气的温度升高，否则水蒸气的含量不会再增加。当湿空气的温度升高，则相应温度下的水蒸气的饱和压力也相应升高，即湿空气中饱和水蒸气的分压力也随之增加，此时的湿空气已不是饱和湿空气。所以，饱和湿空气中水蒸气的含量达到最大值，不可能再增加。如果增加则将以水滴的形式分离出来。

综上所述，湿空气中可容纳的水蒸气的数量是有限的。在一定温度下，水蒸气分压力越大，则湿空气中水蒸气的含量越多，空气越潮湿，所以湿空气中水蒸气分压力的大小直接反映了湿空气的干湿程度。

实际上除了在接近水面的地方或潮湿的草地处且空气流动不好的情况下，大气中水蒸气分压力p_v一般总是小于对应温度下的水蒸气饱和压力p_sa，所以，平常接触的湿空气一般都是不饱和湿空气。

1.3.2.2　温度

温度是描述空气冷热程度的物理量，主要有三种表示方法，即摄氏温标、华氏温标和热力学温标（又称绝对温标或开氏温标）。

摄氏温标用符号t表示，单位是℃；华氏温标用符号t_f表示，单位是℉；热力学温标用符号T表示，单位是K。三种温标间的换算关系如下。

T=t+273　　        （1-2）

t=T-273　　        （1-3）

　　        （1-4）

就湿空气而言，还有三种特殊的描述其温度的参数，即干球温度、湿球温度和露点温度。

（1）干球温度　干球温度可以直接由普通温度计在空气中测得，是指将温度计的测温头（感温部分）直接暴露于空气中所测得的温度，也称为湿空气的真实温度，以符号t表示。

干球温度只能反映湿空气的测量温度，并不能反映出湿空气中水蒸气含量的多少和湿空气是否还具有吸收水蒸气的能力。

（2）湿球温度　如图1-2所示为干湿球温度计。其中没有包纱布的温度计是干球温度计，它所测的是湿空气的干球温度t。另一支温度计的感温部分包有浸于水中的湿纱布，该温度计称为湿球温度计。将湿球温度计置于温度和湿度均不变的空气流中，且保持纱布的湿润状态，当达到稳定状态时，温度计指示的温度称为湿球温度，以符号t_s表示。

湿球温度的测量原理如下：如果湿空气是不饱和的，湿纱布中的水将向空气中蒸发而吸收水的热量使水温降低，形成空气与水之间的传热温差，热量将由空气传给湿纱布中的水，若水蒸发所需的热量大于空气向水传递的热量时，则水温继续下降，直到纱布表面水蒸发所需的热量正好等于空气向水传递的热量时，纱布中的水温则不再下降，达到平衡，这个稳定的温度就称为湿球温度。整个蒸发和传热过程可以近似看作是定焓过程。由此可以看出，湿球温度的高低取决于湿空气的温度和湿度。当空气的温度一定时，湿度越大，测得的湿球温度越接近空气的干球温度；当空气中的水蒸气达到饱和状态时，测得的湿球温度与干球温度相等。为保证测量准确，空气的流速不应低于5m/s。

（3）露点温度　对不饱和的湿空气，保持其含湿量不变，即保持p_v不变，逐渐降低温度，其状态将沿等压线变化。如图1-1中，由A→C，这时的温度即对应于水蒸气分压力p_v下的饱和温度，也即此时水蒸气的分压力p_v等于该温度下水蒸气的饱和压力p_sa，水蒸气达到饱和状态，湿空气也成为饱和湿空气。如果继续降温，则湿空气中的水蒸气将开始凝结成水滴从湿空气中分离出来，称为结露。开始结露时的温度称为露点温度，简称为露点，用符号t_L表示。所以露点温度就是湿空气中水蒸气分压力p_v所对应的饱和温度。空气中水蒸气的含量高时水蒸气分压力p_v就大，它所对应的饱和温度即露点温度t_L就高；反之空气中的水蒸气含量低，则t_L就低。

无论在工程中还是生活中，结露现象都是普遍存在的。秋天早晨室外花草树叶上的露水，冬天房屋窗玻璃内侧的水雾，空调机组蒸发器表面的水珠等，都是由于湿空气遇到了低于其露点温度的冷表面时，其中水蒸气凝结为水的结露现象。在空气调节中，常常利用露点来控制空气的干、湿程度，如果空气太潮湿，就可将其温度降至其露点温度以下，使多余的水蒸气凝结为水析出去，从而达到去湿的目的。这一结露过程就是湿空气处理过程中的冷却干燥过程。

当露点温度t_L低于0℃时，如湿空气的温度等于露点温度，那么水蒸气就直接凝固为冰，称为结霜。因此，根据露点温度可以预报是否有霜冻。露点温度t_L是湿空气的一个重要参数。

（4）干球温度、湿球温度与露点温度之间的关系　除干球温度外，湿球温度、露点温度都与湿空气中的水蒸气的含量有关，所以当空气为不饱和湿空气时，t>t_s>t_L；当空气为饱和湿空气时，t=t_s=t_L。

1.3.2.3　密度和比体积

空气的密度是指每立方米空气中干空气的质量与水蒸气的质量之和，用表示ρ，单位为kg/m³。

空气的比体积是指单位质量的空气所占有的体积，用符号v表示，单位为m³/kg，因此空气的密度与比体积互为倒数关系，即

　　        （1-5）

1.3.2.4　湿空气的湿度

湿空气中水蒸气的含量称为湿度。空气的湿度有绝对湿度、相对湿度和含湿量三种表示方法。

（1）绝对湿度　每立方米湿空气中所含水蒸气的质量，称为绝对湿度。由于湿空气中的水蒸气也充满了湿空气的整个体积，所以绝对湿度在数值上等于在湿空气的温度和水蒸气的分压力p_v下水蒸气的密度ρ_v，单位为kg/m³。其定义式为

　　        （1-6）

根据理想气体状态方程，可得

　　        （1-7）

式中　R_g，v——水蒸气的气体常数，R_g，v=461.5J/（kg·K）。

绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸气的多少，而不能说明湿空气的干、湿程度或吸湿能力的大小。为此，引入了相对湿度的概念。

（2）相对湿度　湿空气的绝对湿度与同温度下饱和湿空气的绝对湿度之比称为相对湿度，用符号φ表示。其定义式为

　　        （1-8）

相对湿度反映了不饱和湿空气接近同温度下饱和湿空气的程度，或湿空气中水蒸气接近饱和状态的程度，因此又称为饱和度。

显然，相对湿度是一个位于0～1之间的数值。其大小反映了湿空气的干、湿程度或吸湿能力。φ值越小，湿空气越干燥，吸湿能力越强；相反，φ值越大，湿空气越潮湿，吸湿能力越弱；当φ=1时，为饱和湿空气，不具有吸湿能力。

根据理想气体状态方程，可得

于是，有

　　        （1-9）

由式（1-9）可知，在一定温度下，水蒸气的分压力越大，相对湿度也就越大，湿空气越接近饱和湿空气。

（3）含湿量　在湿空气的处理过程中，往往干空气的质量不发生变化，变化的是水蒸气的质量，因此为了计算方便，常常以1kg的干空气为计算标准。为此，引出了含湿量的概念。

含有1kg干空气的湿空气中所含有的水蒸气质量称为含湿量或比湿度，它是湿空气中水蒸气的质量m_v与干空气的质量m_a的比值。用符号d表示，单位为kg/kg（干空气），即

　　        （1-10）

根据理想气体状态方程，可得及，代入式（1-10），并将R_g，a=287J/（kg·K）和R_g，v=461.5J/（kg·K）代入，有

　　        （1-11）

若湿空气为大气，由于p_a=p_b-p_v，则有

　　        （1-12）

由式（1-12）可知，当大气压力p_b一定时，含湿量取决于水蒸气的分压力，因此，含湿量与水蒸气的分压力不是相互独立的状态参数。

又由于p_v=φp_sa，于是有

　　        （1-13）

由式（1-13）可知，当大气压力p_b和湿空气的温度t一定时，d随φ增大而增加。

含湿量在热力过程中的变化量Dd，表示1kg干空气组成的湿空气在热力过程中所含水蒸气质量的改变，也即湿空气在热力过程中吸收或析出的水分。

1.3.2.5　比焓

在工程上湿空气基本上都是在稳定流动的情况下工作的，而在稳定流动中外界与热力系统的热量交换可用比焓来直接计算，所以比焓是一个很重要的状态参数。知道了湿空气焓的变化量，就可以知道湿空气与外界交换的热量值。

空气的焓值是指空气中含有的总热量，通常以干空气的单位质量为基准，称作比焓，工程上简称焓。空气的比焓是指1kg干空气的焓和与它对应的水蒸气的焓的综合，用符号h表示，单位是kJ/kg（干空气）。

在空调工程中，常根据空气处理过程中焓值的变化来判断空气是吸热还是放热。空气中焓值增加，表示空气得到热量；空气中焓值减少，表示空气放出热量。利用这一原理，根据焓值的变化来计算空气在处理前后得到或失去热量的多少。

湿空气的焓等于干空气的焓与水蒸气的焓之和，即

H=H_a+H_v=m_ah_a+m_vh_v

湿空气的比焓通常也以1kg干空气为计算基准，也就是（1+d）kg湿空气的焓，仍用h表示，单位为kJ/kg（干空气）。将上式除以m_a可得

　　        （1-14）

式中　h——湿空气的比焓，kJ/kg（干空气）；

h_a——干空气的比焓，kJ/kg（干空气）；

h_v——水蒸气的比焓，kJ/kg（水蒸气）；

d——含湿量，kg/kg（干空气）。

在工程中，取0℃干空气的焓为零，并且由于湿空气在热力过程中所涉及温度变化范围不大，干空气的定压比热容可取定值，即c_p=1.005kJ/（kg·K）。这样

h_a=c_pΔt=1.005（t-0）=1.005t　　        （1-15）

式中　t¾¾湿空气的温度，即干球温度，℃。

湿空气中水蒸气的比焓值，可以由以下两种方法求取。

（1）查表法　若已知湿空气的温度t以及湿空气中水蒸气的分压力p_v（如果已知湿空气的压力和湿空气的含湿量，也可以换算出水蒸气的分压力），则由不饱和水与过热水蒸气的热力性质表直接查得在温度为t、水蒸气压力为p_v的水蒸气的比焓值h_v。如当湿空气的温度为60℃，湿空气中水蒸气的分压力为5kPa的比焓值为2611.8kJ/kg。

（2）公式法　利用查表的方法可以直接、快速地求取一定温度及一定水蒸气分压力下水蒸气的比焓值。如果暂时缺少水蒸气表的相关数据，也可以用公式计算的方法求出湿空气中水蒸气的比焓值。

利用公式计算湿空气中水蒸气的比焓值时，使用水的三相点为基准。当水蒸气的温度为t（也就是湿空气的温度）时，其比焓值可以通过如下计算途径计算出湿空气中水蒸气的比焓值。

因为Δh=h₃-h₁=h₃=Δh₁+Δh₂=2501+c'_p（t-t₁）≈2501+c'_pt

所以

h_v=2501+c'_pt=2501+1.859t　　        （1-16）

式中　2501——0.01℃时水蒸气的比焓值，kJ/kg；

c'_p——水蒸气在常温、低压下的比定压热容，kJ/（kg·K），在工程计算中常将其作为常数，其数值一般为1.859，近似计算时可用1.86。

于是，以1kg干空气为计算基准的湿空气的比焓为

h=1.005t+d（2501+1.859t）　　        （1-17）

1.3.3　几种在空调工程中的常用温度

在空调工程中，常用的温度包括前面已经介绍到的干球温度、湿球温度、露点温度。此外，还有一种常用温度为“机器露点温度”。该温度与空气的露点温度有所区别。它是指人为地对空气加湿或除湿后所达到的近于饱和的空气状态。表面式冷却器外表面的平均温度称为“机器露点温度”；经过喷水处理的空气比较接近于φ=1状态，习惯上将其状态称为“机器露点”。